PapSpray: Innovative Sprühtechnologie für nachhaltige Papierbeschichtungen
@ TU Graz/Lunghammer
Das dreijährige Forschungsprojekt „PapSpray“ wurde in Zusammenarbeit mit Unternehmen der Papier- und Zellstoffindustrie sowie der Technischen Universität Graz (TU Graz) durchgeführt.
Die Projektkoordination bei PapSpray lag bei der Österreichischen Vereinigung der Zellstoff- und Papierchemiker und -techniker (ÖZEPA), die den Austausch zwischen Industrie und Forschung unterstützte. Vor dem Hintergrund einer steigenden Nachfrage nach nachhaltigen Verpackungslösungen als Alternative zu kunststoffbasierten Verpackungen rücken papierbasierte Materialien zunehmend in den Fokus. Diese gelten als umweltfreundlicher, da sie aus erneuerbaren Rohstoffen bestehen und eine hohe Recyclingquote aufweisen. Allerdings sind sie auf funktionelle Barriereeigenschaften angewiesen – etwa gegen Wasserdampf, Fette und/oder Sauerstoff–, um mit herkömmlichen kunststoffbeschichteten Verpackungen konkurrieren zu können.
Die bislang eingesetzten Barrierebeschichtungen aus Kunststoff oder Metall erschweren jedoch die Recyclingfähigkeit dieser Materialien. Ziel des Projekts PapSpray war es daher, nicht-erneuerbare Barrierematerialien durch biobasierte Alternativen zu ersetzen, ohne die Recyclingfähigkeit der Verpackungen zu beeinträchtigen. Dabei stand neben bestehenden Beschichtungsverfahren in der Industrie der Sprühauftrag dieser Materialien im Mittelpunkt, da diese Methode eine hohe Flexibilität im industriellen Produktionsprozess versprach.
PapSpray: Ergebnisse und Erkenntnisse
Im Verlauf des Projekts wurde eine Laborsprühanlage zur Beschichtung von Papierrollen entwickelt und kontinuierlich optimiert. Ziel war es, biobasierte Barrierematerialien, die herausfordernde rheologische Eigenschaften bereits bei niedrigen Feststoffen aufweisen, effizient auf Papier und Karton aufzutragen. Es zeigte sich jedoch, dass die Feinabstimmung der für das Sprühverfahren relevanten Parameter wie insbesondere Viskosität, Oberflächenspannung und Feststoffgehalt sehr anspruchsvoll ist. Ein besonderer Fokus wurde daher auf die Optimierung der Sprühparameter sowie des resultierenden Sprühbildes gelegt, um eine gleichmäßige Schichtbildung zu erzielen und somit die gewünschten Barriereeigenschaften zu erreichen.
Ein wichtiger Aspekt des Projekts war die Untersuchung verschiedener biobasierter Materialien. Alginat, ein aus Algen gewonnenes Biopolymer, zeigte vielversprechende Barriereeigenschaften, ist wasserlöslich und vollständig rezyklierbar. Chitosan, das aus Chitin gewonnen wird, erwies sich aufgrund seiner antimikrobiellen Eigenschaften ebenfalls als vielversprechend für nachhaltige Verpackungslösungen. Zudem konnte mikrofibrillierte Cellulose einzelne Barriereeigenschaften der behandelten Papiersubstrate weiter verbessern. Darüber hinaus wurde die Kombination dieser Biopolymere mit speziellen Barrierepigmenten beziehungsweise mit dem synthetischen Polymer EVOH eingehend untersucht, um deren Einfluss auf die Viskosität, die Sprühbarkeit sowie die resultierenden Barriereeigenschaften zu bestimmen. Diese Kombinationen zeigten, dass sich durch gezielte Anpassungen der Materialzusammensetzung die Funktionalität der Beschichtungen weiter optimieren lässt.
Neben den viskositätsbedingten Herausforderungen beeinflussten auch die Eigenschaften des verwendeten Papiersubstrats die Ergebnisse entscheidend. Hydrophilere Papiere zeigten aufgrund einer schnelleren Benetzung und Spreitung der Biopolymertröpfchen häufig bessere Barriereeigenschaften als hydrophobe Substrate. Diese Wechselwirkungen zwischen Substrat und Beschichtungsmaterialien spielen somit eine zentrale Rolle bei der Entwicklung effektiver, industrietauglicher Lösungen. Daneben ist auch die schonende Trocknung der Beschichtung von großer Bedeutung.
Ein weiteres vielversprechendes Ergebnis des Projekts ist die Möglichkeit, die Sprühbeschichtung bereits während der Papierherstellung auf die noch feuchte Papierbahn aufzutragen. Dieser Ansatz könnte den Energiebedarf für die Trocknung deutlich reduzieren und die industrielle Anwendbarkeit des Verfahrens verbessern. Zudem eröffnet die Kombination der Sprühtechnologie mit bestehenden Beschichtungsverfahren, wie etwa der nachträglichen Beschichtung mit einer Filmpresse, zusätzliche Flexibilität und Potenziale für industrielle Anwendungen.
Das Projekt PapSpray hat wichtige Erkenntnisse für die Entwicklung nachhaltiger Verpackungslösungen geliefert, aber dabei auch die Herausforderungen aufgezeigt. Die Ergebnisse tragen dazu bei, Alternativen zu herkömmlichen, erdölbasierten Verpackungsmaterialien zu entwickeln und schaffen eine solide Basis für zukünftige Forschungsaktivitäten in der Papier- und Verpackungsindustrie.
Weitere Informationen über das Forschungsprojekt der TU Graz findet sich hier!
